211service.com
Nieuwe dieselmotor stoot schonere dampen uit
Een nieuwe motor, ontworpen in Duitsland, reduceert de vervuilende stoffen in de dieseluitlaatemissies tot nauwelijks meetbare niveaus. De motor vertrouwt op een extreem hoge brandstofinjectie- en verbrandingsdruk om de brandstof vollediger te verbranden, waardoor de uitstoot van zowel roet als stikstofoxide drastisch wordt verminderd.
Schone automaat: Onderzoekers van de Technische Universiteit-München hebben met deze testmotor de gelijktijdige reductie van stikstofoxiden en roet aangetoond, zonder katalysator.
Dieselmotoren gebruiken brandstof efficiënter dan benzinemotoren en stoten minder koolstofdioxide uit, maar de wisselwerking is dat ze meestal meer vervuilend zijn. De hogere verbrandingstemperaturen die nodig zijn om diesel te verbranden, leiden tot een verhoogde uitstoot van stikstofoxide. En omdat diesel zwaar en minder vluchtig is dan benzine, wordt bij de verbranding niet alle brandstof verbrand, waardoor roetdeeltjes ontstaan. De ergste overtreders zijn bussen en zware vrachtwagens.
Ingenieurs bij de Technische Universiteit-München (TUM) ontwierp de nieuwe motor in een driejarig project genaamd Dieselmotor voor vrachtwagens met de laagste emissie (NEMo), wat zich vertaalt naar een dieselmotor met een lage uitstoot. Georg Wachtmeister, voorzitter van interne verbrandingsmotoren bij de faculteit Werktuigbouwkunde van de universiteit, leidde de inspanning. Met behulp van een eencilinder onderzoeksmotor vond het team van Wachtmeister een balans tussen uitlaatgasrecirculatie, turboboostdruk en de configuratie van de brandstofinjector, waardoor ze zowel de vorming van roet als stikstofoxiden tot een minimum konden beperken.
Moderne dieselmotoren verminderen de vorming van stikstofoxiden door een deel van hun uitlaatgassen af te koelen en terug te circuleren in de verbrandingskamer (samen met de verse lucht die wordt gebruikt om de brandstof te verbranden). In dit mengsel matigen kooldioxide en water uit de uitlaatgassen het verbrandingsproces, waardoor de temperatuur onder controle blijft. Hierdoor worden er minder stikstofoxiden gevormd, maar neemt de roetproductie toe doordat het zuurstofaandeel in het lucht-uitlaatmengsel lager is en de brandstof minder volledig verbrandt.
De TUM-onderzoekers ontwierpen hun testmotor zo dat de turbocompressor het lucht-uitlaatmengsel comprimeert tot 10 bar - ongeveer 10 keer de atmosferische druk op zeeniveau - voordat het in de verbrandingskamer wordt gebracht. Daarentegen kunnen massaproductiemotoren het mengsel comprimeren tot maximaal ongeveer 3,5 bar. Eenmaal op deze manier gecomprimeerd, bevat het lucht-uitlaatmengsel in de nieuwe motor voldoende zuurstof om de dieselbrandstof vollediger te laten verbranden. De maximale luchtdruk in de verbrandingskamer is 300 bar, het dubbele van de druk die in de meeste productiemotoren wordt gebruikt.
Om de verhoogde roetproductie als gevolg van het wijzigen van de uitlaatgasrecirculatiesnelheid te compenseren, heeft het NEMo-team het brandstofinjectormondstuk aangepast zodat het dieselbrandstof vernevelt met een druk van meer dan 3.000 bar, waardoor een brandstofnevel van microscopisch kleine deeltjes ontstaat die zeer snel verbrandt en praktisch roetvrij. De meest geavanceerde productiemotoren gebruiken tegenwoordig een injectiedruk van ongeveer 1.800 bar.
Met de aangepaste uitlaatgasrecirculatie, vuldruk en verstuiverconfiguratie voldoet de TUM-motor bijna aan de Europese emissienormen die tegen 2014 van kracht moeten worden. Die normen bepalen dat een dieselmotor voor zware vrachtwagens slechts vijf milligram roetdeeltjes en 80 milligram stikstofoxiden per kilometer. Wachtmeister zegt dat de TUM-testmotor probleemloos aan de stikstofoxidelimieten voldeed en zeer dicht bij de roetlimieten zit.
George Anitescu, een onderzoeker aan de Universiteit van Syracuse, is sceptisch over de uitvoerbaarheid van het project. Het onderzoek kan de wisselwerking tussen fijnstof en stikstofoxidevorming die inherent is aan dieselverbranding enigszins oplossen, zegt hij. Maar hij denkt dat de energie die nodig is om de gebruikte hoge drukken te bereiken, de efficiëntie van de motor zal verminderen. Een andere zorg, zegt hij, is het vinden van materialen - met name betaalbare - die bestand zijn tegen de extreme druk.
Van dit ontwerp een productiemotor maken is voorlopig niet praktisch, geeft Wachtmeister toe. De TUM Internal Combustion Engines Workshop moest speciaal 95 van de componenten voor de testmotor produceren. Met behulp van deze speciale componenten kon het team de aanpassingen echter met succes toepassen op een productietruckmotor.
Wachtmeister verwacht dat het tussen de vijf en tien jaar zal duren om met oplossingen te komen die de productie van motoren mogelijk maken die betrouwbaar genoeg zijn om honderdduizenden kilometers te draaien zonder te falen. De turbocompressor en het brandstofinjectiesysteem zullen bijzonder uitdagend zijn om aan te passen aan zowel zware vrachtwagens als automotoren.
In de tussentijd, zegt hij, zou het ontwerp tegenwoordig gemakkelijk kunnen worden geïmplementeerd in bepaalde industriële motoren, zoals dieselgeneratoren, het meest voorkomende type dat wordt gebruikt in stand-by- en noodstroomsystemen. En, zegt Wachtmeister, autobedrijven in zowel Duitsland als Japan hebben interesse getoond in de technologie.